超声脉冲回波理论下的影像物理学实验设计研究

杨家荣

【摘 要】在医学范畴里，关于超声波的应用比较广泛，超声波为医学影像里一种常见的物质波，在影像物理学研究中属于重要的研究对象。本次研究通过设计、研究超声脉冲回波原理设计影像物理学实验，来更好了解、掌握超声的物理性质，以及声速、衰减系数的测量原理和计算原理，最终达到提高对影像物理学认识的目的。

【关键词】超声 脉冲回波 影像物理学

在医学影像里广泛应用的超声成像技术，主要便是利用了超声脉冲回波原理。由于这种医学影像技术的人体成像原理是通过超声波的能量来实现的，所以对人体无任何辐射性危害，而且因为该成像技术成本较低、安全性高，已被普及广泛应用到临床、介入治疗等方法中，成为医院里医学影像设备中重要设备之一。随着超声成像技术的普及应用，超声影像技术的物理原理基础在医学影像物理学也变成了重要的组成部分。通过学习超声影像的物理方面基础，能够帮助认识和理解超声的含义及超声影像的意义。因此本次研究通过利用超声脉冲回波原理设计影像物理学实验，促进超声影像物理学的学习，详细如下。

1 实验研究目标

超声成像的目的在于，声波于人体各组织的穿透能力达到可以深度成像。超声成像所测算的物理量为声波的回波幅度和相位，回波的时间常用于定位声波的深度。由于声波在人体组织的穿透速度约等于常数，因此回波的特征可以反映不同人体组织密度的不同。经过对反射回波的接收，并使其在显像屏上以不同的亮度等级呈现，最终形成超声图像。而若超声波的频率越高，则其波长越短，能量越高，分辨率越高，所成图像质量越佳。但是由于声波穿透深度与声波频率成反比，深度越小频率越高，所以想得到质量高的高频超声成像是以牺牲穿透深度为代价的[1]。通过设计实施超声脉冲回波原理设计影像物理学实验，可以更好的掌握声波的产生及传播原理，提高对超声波图像的物理意义的理解，掌握超声波的各项参数对超声最终所成图像的影响。

2 实验设计原理

超声波的基本参数有三个，包括频率、波长和声速。声波的振动频率f=振动数/时间（s），f由振动源决定，声波（在人体内部）的传播速度c取决于传播媒体。超声波和人体组织发生相互作用后之后，改变了起载体功能的超声波的物理特性，例如使能量发生衰减改变，使声波的传播方向发生反射、衍射等改变。而临床诊断所需要的信息就依托存在于这些不断变化的物理参数中，这些物理参数的不断变化不仅是诊断信息的依附，更是一些补偿机制的依据[2]。而波的吸收定律、反射定律等是掌握超声波成像原理的关键。超声波和人体组织发生相互作用而引起的能量变化为一个能量衰减的过程，像声束在人体组织表面发生折射、散射等均会减弱入射声波的能量。不管声波通过的内部是何种分子过程，超声波能量的衰减均符合如下式的负指数形式规律：

3 实验仪器设计及内容

本次实验中所需要使用的实验仪器包括：超声体模、美国OLYMPUS公司的超声发射接收仪器、超声测试模具及迈瑞公司的DP6600的超声诊断仪器。通过这些设备，依据实验要求事项，设计了两个内容的实验，详细如下：

3.1 图像与体模的验证实验

首先通过超声诊断仪器的探头来探测超声体模，观测超声图像所显示的体模信息，而后将超声图像与超声体模进行对比，以此来掌握超声图像所反映的物理意义。而后对超声诊断仪器的各项参数进行完成调整，包括声波速度、诊断仪探头的发射频率、声波功率及超声回波的接收灵敏度等[4]，同时观察超声显示图像的改变情况。实验目的包括了解超声波各项参数对超声图像的影响过程，所以调整超声各项参数对图像变化情况的影响，应被记录、加入到最终的实验报告中。

3.2 综合测算声速类实验

通过使用示波器、超生脉冲回波规律、超声波发射接收仪器及超声波测试部分，来对超声波在介质水中的穿透速度、超声波在有机玻璃内传播的衰减系数进行记录、计算。实验进行时，需要注意示波器和超声波发射接收仪器的仔细连接，而后将恰当的传感器接入超声发射接收仪器的T/R端口，且把传感器置于适当测试模具的有利位置。在对超声波在介质水中的穿透速度进行计算时，同时观察、记录示波器所反映的波形图，利用示波器的B扫描功能及X轴扫描拓展功能，来对中间两个不同界面的反射脉冲回波分别对应的峰值点间的时间差进行详细记录，以此来完成对超声波在介质水中的穿透速度的计算。在关于声速计算的最终实验报告中需要包括：声速测试的物理原理，测得的脉冲回波波形，对两个脉冲回波分别的峰值点和峰值点间的时间差的标识，详细计算过程，实验中产生的误差及误差产生的原因。在对超声波在有机玻璃内传播的衰减系数进行计算时，观察示波器所反映波形，记录测试模具里两个界面脉冲回波的峰值幅度。

4 结语

在影像物理学的研究中，包括许多用于成像的物质波。本次实验选取的超声波为其中一种安全可靠有效的物质波，通过本次实验，可以对超声在不同介质里的传播规律及声波的衍射、折射、散射等在超声成像中的作用进行深入了解，理解超声影像显示的物理原理，而且在一定程度上对影像物理学里的理论进行了验证。

参考文献：

[1]任杰.基于超声脉冲回波的影像物理学实验设计[J].科技信息，2010（5）：436.

[2]熊政纲，左龙.超声影像实验设计[C].//第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集.2010：310-312.

[3]韩冥生，杨平.脉冲回波法与水听器法测量超声探头声场参数比较研究[J].计量学报，2015（2）：166-170.

[4]祝昆，邱学云.基于超声脉冲反射回波法的声速设计性实验[J].文山学院学报，2013（3）：45-48.